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目前，7種關鍵技術使GPS進入世界各地的手機，本文詳述了這些技術的進入過程以及對未來10年有什么影響。 十年前的E911法案啟動了消費型GPS第一個成功的里程碑，自此以后，GPS接收器的靈敏度進步了幾乎千倍以上，超過九成(五億支) 以上的手機已搭配GPS 功能并以主機式GPS(Host-based GPS)為標準。聯邦傳播委員會(FCC)及美國國會在1999年通過了E911法案，此法案規定當手機使用者撥打911緊急電話時，手機可自動提供通話位置信息。原本，輔助定位系統(A-GPS)只用于移動電話網絡與GPS時間同步的時間校對，且主要是用在CDMA的電信網絡。而全球最大的電信網絡GSM和3G并不與GPS時間同步。所以在早期，一般認為非GPS技術(如現在已被淘汰的增強觀測時差E-OTD等技術)會在E911法案中勝出的。然而，正如我們現在所知道的，GPS和全球導航衛星系統(GNSS)成了手機定位系統的大贏家。E911法案是GPS在美國發展的主要動力，并且間接促進了全球GPS的發展。這要歸功于以下我所要談論的七項關鍵技術，它們使GPS技術在過去多年來逐漸成熟。 關鍵技術一：輔助定位系統(A-GPS) 關于A-GPS有三件值得記住的事：“更快、更長、更高”。透過奧林匹克運動會的名言“更快、更強、更高”，你就可以記得住了。 A-GPS最顯著的特征，是它使用衛星軌道資料傳送替代了原有基站傳送相同(或等量)的軌道數據，所以A-GPS接收速度更快。在過去，接收器必須在二維代碼/頻率空間中，搜索每一個GPS衛星信號。而輔助數據縮減了搜索范圍，讓裝置可以用更長的時間來做信號整合，換句話說，就是敏感度更高了 (見圖1)。就是我們說的更長，更高。 現在，我們更進一步來看看代碼/頻率搜索，并介紹精確校時、粗略校時以及大規模平行關聯器等概念。任何輔助數據都可以減少頻率搜索次數，頻率搜索的概念就是如同你轉動車上的收音機旋鈕，尋找電臺位置。只不過由于衛星移動，會產生不同的GPS頻率，也就是多普勒效應。如果你可以預先知道衛星是如何設置的，就可以縮小頻率搜尋的范圍。 代碼延遲(code-delay)就更加敏銳了。C/A 代碼的重復周期是1ms，所以如果可以在獲得衛星信號之前，就知道比1ms更精確的GPS時間，便可以縮小代碼延遲搜索區域，這就是我們所說的“精確校時”。 CDMA通信網絡是和GPS的時間同步，而最普遍的通信網絡(GSM及目前的3G)則不然。后者與GPS時間有±2秒的誤差，我們稱之為粗略校時。在最初，只有精確校時的網絡可以應用A-GPS，但后來局勢改觀是因為我們有了關鍵技術二、關鍵技術三，那就是大量平行關聯器和高靈敏度。 關鍵技術二、三：大量平行關聯器和高敏感度 傳統的GPS中，每個頻道只有兩到三個關聯器。他們會搜索代碼延遲空間直到可搜索到信號，然后用一組關聯器追蹤峰值的前端，和用另一組追蹤峰值的后端，所以他們被稱為“前后關聯器”。 大量平行關聯器是指，有足夠數量的關聯器同時在多個頻道中，對所有的C/A代碼延遲進行搜索。就硬件而言，這意味著有上萬個關聯器在運作。大量平行關聯器的好處是，所有的代碼延遲搜索都是平行運作，因此接收器可以用更長的時間來整合信號，即使沒有精確對時也無所謂。所以現在接收器可以更快、更長、更高，也就是更高的靈敏度，這不限于我們在何種電信網絡中執行A-GPS。在最初，我們認為室內GPS定位會受限于高靈敏度，但發覺使用體積更小、更便宜天線的實際成果卻也不差。雖然小而便宜的天線會降低性能表現(我們稍后也會提到)，但是它們已被配備在所有的智能型手機上，且被手機廠接受去執行有關A-GPS的功能。 關鍵技術四：粗略時間導航 我們已經了解，A-GPS輔助不再受限于根據解碼軌道數據(所以可以更快)，并可以透過大量平行關聯器使用粗略對時(所以可以更長的時間做信號整合及提高靈敏度)。然而，要測量精確初估的距離(pseudorange)，并計算行進時間，還是需要花時間對衛星所傳送的星期時間(Time of Week, TOW)譯碼，譯碼后來取得位置進一步可執行導航。粗略校時導航就是要解決一些衛星的TOW問題，而不是直接解碼。其關鍵的技術是依靠在標準導航中的方程式中加入額外狀態資料;并于著名的視線矩陣(line-of-sight matrix)中加入相對應的欄位來解決TOW問題。 這個技術的成果就是，你定位所需要的時間，會比解讀衛星的星期時間(TOW)(例如一秒、兩秒或三秒)還要更快;或是在衛星信號微弱狀態下無法解讀衛星的星期時間(TOW)時，仍然可以進行實際上的定位。因為你可以有更快的首次定位時間 (FF)，無需頻繁喚醒接收器來維持熱啟動狀態，因此可延長電池壽命。 關鍵技術五：時間短TOW 另一個和粗略時間導航技術相提并論的是時間短的衛星TOW解碼，也就是降低解讀衛星的TOW數據的門坎標準。在1999年，衛星接收的信號強度可讓接收器解讀衛星的TOW最低標準可達到-142dBm。這是因為當我們在整合信號以20ms為間隔時，可以偵測到-142dBm信號數據位中強度。然而，解讀衛星的TOW的技術不斷演進，現在最低可接受強度已經降低到-152dBm。 關鍵技術六、七：主機式全球定位系統(Host-based GPS)，RF-CMOS 從傳統的系統單芯片(SoC)架構出發，我們就可以清楚地認識主機式架構(Host-based)。SoC GPS通常是單一封裝，但封裝中包含了三個獨立的組件，有三個硅芯片被包在一起：基帶(baseband)模塊，包含中央處理器 (CPU);分開的無線調頻器(RF)以及一個閃存。如果要降低成本，不使用閃存情況下，唯一的方法是改用只讀存儲器(ROM)，它可以包含在基帶模塊中。然而這也意味著，你將無法可隨時更新接收器的軟件，來使用我們剛剛討論的最新發展技術。 相對而言，主機式架構不需要在GPS芯片中有CPU功能。其主因是在智能型手機以及其他含有GPS產品上，其既有的CPU和閃存都能額外提供GPS運算時所需的低功耗。同時， RF-CMOS技術可以讓無線調頻器和基帶同在單一GPS芯片中。此為主機式架構 GPS 特質和優勢。 這一切的結果代表著芯片價格大幅降低，但性能依舊可以維持。 現在已達到我們預期的目標了嗎? A-GPS 技術已經引領我們大步向前。 “從技術水平和消費者市場層面上我們是否已經達到預期的目標了嗎?” 一般認為，體積小而便宜的天線會影響質量的表現，但是我要說，一個成本低于4 美元的單一 GPS 芯片，性能超過一個成本19,000 美元的接收器。這聽起來簡直是自相矛盾，甚至不可思議。但是我們可從首次定位時間、靈敏度和城市精確度(Urban Accuracy)的數據來證實這點。 另一個芯片革命的觀點是，我們已經達到GPS 單系統技術開發的高點，難以再往上。然而，還有許多有待解決的問題，特別是城市信號屏障以及室內使用方面。但是這些問題絕不會是由GPS(或是其它個別的系統)可以獨自解決的。所以我們可以把下個十年視為“GPS 增值”，單一GPS 的時代很快就會成為昨日黃花。這也不能被解讀為GPS 的失敗，甚至正好相反。這是因為GPS 單一系統運作得十分好，以至于在過去多年移動電話內附GPS 的銷售總量已達5 億支，基于此銷售基礎，我們可以大膽將GPS 推展到衛星導航從未涉足過的領域—是因為我們已開始嘗試突破單一GPS 的表現瓶頸。 在不久的將來，我們就會看到大量的GPS 增值產品，像是GPS+微機電系統(MEMS)、GPS+(無線網絡)Wi-Fi、GPS+網絡測量報告(NMR)、GPS+羅盤(Compass)以及GPS+蘇聯導航衛星系統(GLONASS)、日本準天頂導航衛星系統(QZSS)、歐洲伽利略衛星系統。將來能夠進行最大程度整合的公司，就會是贏家。所以，引用丘吉爾的話，目前的狀況并不是GPS 的終點，甚至談不上接近終點;了不起只能算是初階段的結束。 GPS 消費市場 幾年前Len Jacobson 的《GNSS 應用及市場》有一份對2010 年消費市場的預測： Frost & Sullivan 2006 報告預測，在2010 年，PND 及手持裝置 (不包括移動電話) 市場會達到 27 億美元(830 萬臺，平均售價325美元)。對照實況，目前的市場大約是60億美元，(4 千萬臺，平均售價150美元)。簡言之，消費市場的規模比幾年前所預估的還要大上一倍，還不包括手機市場。雖然價格比預估要低一半，但是出售量是預估的四倍之多。 談到移動電話，我們回頭看看1999 年，那時大家預估A-GPS 只會在精確校時通信網絡中被采用(像是CDMA)。如今A-GPS已經大量在全球精確校時以及粗略校時通信網絡中被使用，包括歐洲和北美的GSM，以及日本的W-CDMA。最近三年GPS 消費市場，特別是移動電話市場已經大幅成長，置入手機的GPS 接受器數量超過了以往所有GPS 產品數量的總和。而到如今，每年全球民用導航衛星系統(GNSS)接收器產量99%以上的數量皆使用L1-only C/A code GPS 接收器。 所以，從消費市場觀點，我們是否已經達到預期的目標?是的!我們不只達到，而且是已經遠遠超過預期的成績。接下來，讓我們回顧過去十年的技術發展，看看這些技術是否已經達到我們預期的目標。 摩爾定律表明，在一定的晶體管數目下，芯片體積每兩年便會縮小一半。摩爾定律在GPS 是適用的，大約每兩年，芯片尺寸會縮小一半。2010 年才剛剛開始，人們已經開始在談論下一代，也就是40 nm的GPS 芯片了。過去二十年來，摩爾定律已經重復了十回，所以同樣的芯片在二十年前，尺寸會比現在大上1000 倍。當然不可能會有這么大的芯片，但我要說的是，GPS 芯片并不只是隨著摩爾定律變小而已，它還變得更復雜，功能性更強。 最低價GPS性能表現 基本上，GPS 接收器只做三件事：啟動、追蹤微弱信號、計算定位速度時間和位置。撇開繁瑣的細節不談，主要重點可歸納為：速度、靈敏度和精確度。 從90 年代以來，首次定位時間(TTFF)和靈敏度都有一定程度的進步，這要歸功于上述七個關鍵技術。即使沒有精確時間，首次定位時間在輔助冷啟動或是未輔助熱啟動之下，已經可以達到一秒。這比90 年代傳統GPS 表現好上45 倍。在靈敏度方面，到1998 年為止，大約有30 倍的進步(達到 -150dBm)，2006 年又增進了10 倍(到-160 dBm)。說不定假以時日，我們會擁有1000 倍的靈敏度。那么準確度又是如何呢? 有些低價芯片被當成是低精確度的代名詞，不過這并不正確。的確體積小、成本低的天線會降低定位準確度，然而就相同天線而言，在移動電話極為普遍的環境中，現今市場上最低價的GPS 接收器，其性能表現卻優于最貴的GPS 接收器。以下圖表的數據會說明這一點。 首先，我們連接一個最小、最低價的GPS 接收器，到一個最好的天線上(扼流圈天線)，架設到可以清楚看見天空的開闊屋頂上。圖2 左側是定位點散布情形，藍色圈圈顯示了有2000 個定位點，它的中位數值是0.9 公尺。右側是一個19,000 美元的勘測級專業GPS(Survey-grade GPS)接收器量測的結果，使用的是同樣的天線。 勘測級專業(survey-grade) GPS比含GPS 移動電話的精準度表現要好上60cm，或者要說好上三倍也可以，看你要怎么說。但先別急，因為這種測試環境既非典型的消費者情境(在屋頂上架扼流圈天線)，也不是我們今日面對的主要挑戰。 接下來，我們要在一個比較典型的使用環境中，看看一般消費型天線的精確度表現如何。圖3 顯示一個主動式平板天線(就是個人導航設備PND 里面會看到的那種)在圣何塞市區的定位情形。圣何塞是一個典型的美國都市，不算是對GPS 最嚴峻的挑戰，但也不是太容易。城中的街道(Lightstone Alley)只有5 米寬，兩側都是高聳建筑物。 要測量精確度，我們使用實際參照的方法，結合GPS 以及配備環狀鐳射陀螺儀的戰術級慣性測量裝置(tactical grade IMU)，它可以在圖上顯示藍色小點;白色小點是低價GPS 的定位情形。大多數時間白色小點都和藍色小點重疊，偶而你會看到一些錯開的地方，紅色線段顯示的是水平誤差。水平誤差的中位數值是4.4 m。 圖4 比較了低價及高價的GPS 接收器的表現。當勘測級專業接收器(survey-grade receiver) 接上移動電話使用的平板天線時，出現了很多個定位間距(position gap)，而且當汽車不動的時候，定位卻仍飄移(在圖的左下以及上側區域，路口的地方)。這是由于城市環境的信號比較微弱。但我們也先別急，因為這也還不是消費型GPS 最嚴苛的測試：在嚴峻的都會高樓密集區像是舊金山、紐約、芝加哥、上海、臺北、東京新宿之類地區，才是終極挑戰。通常在這些地方，最多只能直接接收到一顆或二顆GPS 衛星，也許也可以借著偵測到清楚的反射信號而收到其他衛星系統的衛星信號，但這不是我們常談到的GPS 多路徑效應，那個是“同時有直接信號也有反射信號”，但這里卻是“只有反射信號。其他都沒了”。GPS 的直接信號通常都會被高聳密集的建筑物遮蔽，而無法被偵測到。因此很難獲得良好精確度。 圖5并列比較了移動電話上的GPS 以及勘測級專業GPS(survey grade GPS)，在安裝同樣的小型天線后，我們在舊金山金融區做測試。勘測級專業GPS(survey grade GPS)完全無法定位!圖6 顯示可得信號，并解釋了原因。在蒙特馬利街(Montgomery Street)上，只有依據直接可得的衛星，信號強度是-132dBm，所有其他的衛星的信號強度都低于-140dBm，傳統GPS 是無法獲取信號的。要能夠在這種嚴峻的環境中有辦法定到位置，我們需要移動電話中具備高靈敏度GPS 接收器。 簡言之，低成本的接收器并不會犧牲性能。而且相反地，由于有先前提到的七樣關鍵技術的演進和突破，首次定位時間(TTFF)和靈敏度都有驚人進步;而且定位精準度也沒有打折扣，事實上在城市環境中，低成本接收器比起傳統接收器，以及新型、動輒上千美元的勘測級專業接收器(survey-grade receiver)卻毫不遜色。 我們已經看過GPS 消費市場規模超過了預期，從技術觀點來說，答案較不明確。在過去十年，消費型GPS 技術進步簡直一日千里。然而精確地來說，由于這些關鍵技術遠遠超過早期的預測。但是單獨靠GPS 在室內的定位功能卻明顯不足，理想中，我們要的是讓GPS 在室外運作得和室內一樣的好(但是目前還無法做到，在現階段，我們無法在單一GPS 本身技術上有明顯的突破來改善室內定位的效果)。我們不會期望單一GPS 的首次定位時間可以進步45 倍，或是靈敏度可以再提升個30dB。然而，我們卻會希望借助其它技術的整合，來提高性能。圖7 顯示的是一個市場上的GPS+MEMS例子，型號是Tomtom14950，使用了博通BCM4750 芯片 (上面實驗中所使用的同樣芯片)、再加上和MEMS 加速度計以及MEMS 時率陀螺儀的整合，如此，可在舊金山的城市高樓密集區中進行測試時可獲得更良好的定位效果(精確度提升了30%，最壞情況誤差降低一半多)。測試結果顯示方向精確度尤其顯著。 圖7線條圖顯示的是在舊金山測試中，對只含有GPS 產品的衛星信號都很差。就單一GPS 來說，定向的角度誤差甚至達到45°，這也是使用過只含有GPS 的人，都會遇到的情形：突然之間地圖旋轉到錯誤的方向。如果整合了MEMS 時率陀螺儀后，定向的角度誤差可縮小到只有3°，和45°誤差相比有15 倍的進步。這類似過去十年GPS 發生的各類演進，主要因為有“GPS 加值”。 在未來幾年，我們會開始看到許多技術加值到GPS 上面：Wi-Fi、NMR/MRL(GSM 及3G 手機協助定位) ，當然還有GPS+蘇聯導航衛星系統(GLONASS)、羅盤、日本準天頂衛星系統(QZSS)和歐洲伽利略系統。 舉例來說，近年來大多數智能手機、上網本等具有劃時代意義的類似產品，都配備GPS 以及Wi-Fi，而且許多配備了3G 網卡，所以如果GPS 科技發展出包含Wi-Fi 及MRL 定位，是再自然不過的事。尋找整合多種無線芯片供貨商，也是自然的趨勢。畢竟，當有芯片供貨商已經為你準備好的時候，你為何還要花功夫自己動手，解決整合不同無線共存的問題呢? 我們展望了下個十年的導航科技，可以說未來的GPS 特色是會加上其它技術。誰有能力把技術整合到最大程度，誰就會是最大的贏家。 |
